Plienas

Plienas – tai geležies ir anglies lydinys su kitomis priemaišomis (siliciu, manganu, siera, fosforu). Žmonės pirma išmoko pagaminti ir naudoti plieną, o tik vėliau sužinojo jo sudėtį. Senovės egiptiečiams buvo žinoma, kad kai kurios „geležies rūšys“ įkaitintos ir įmerktos į vandenį užsigrūdina, o kai kurios – neužsigrūdina. 1722 metais prancūzas Reomiuras pateikė prielaidą, kad geležis ir plienas skiriasi vienas nuo kito tam tikra priemaiša, kurią jis pavadino lakia druska. Ši druska ir apsprendžia plieno savybes. Tik 1814 metais vokietis Karstenas nustatė, kad toji priemaiša pliene yra anglis. XIX amžiaus pabaigoje galutinai buvo ištyrinėta geležis ir jos lydiniai. Šiame amžiuje žmonės išmoko gaminti legiruotą plieną, kuris pasižymėjo įvairiomis savybėmis. Rusijoje tuo išgarsėjo P.P.Anosovas. 1825 metais Rusijoje plieną sulydė su platina.  Juo galima buvo pjauti stiklą, kapoti ketų ir geležį jam neatšimpant. Sukurti lydiniai tokie kaip platinitas (48% Ni, 0,15% C, likusi dalis Fe), pasižymintis tokiu pat plėtimosi koeficientu kaip stiklo (todėl jis naudojamas elektroninių lempų įvadams), kovaras (29% Ni, 18%Co, likusi dalis Fe), kurio linijinio plėtimosi koeficientas kaip molibdeninio stiklo, „medinis plienas“ (35% Ni, 1% Cr, 64% Fe), kurio laidumas šilumai panašus kaip medžio. Tai precizinis plienas. Neatitinkant sudėčiai, savybės tuoj pat keičiasi. 1898 metais šveicaras Gijomas nustatė, kad pliene esant 25% nikelio, jam įkaitus, jis netenka magnetinių savybių. Plienas, kuriame 36% nikelio, pasižymi labai mažu a (10 kartų mažesniu negu platina). Lydinį sudarytą iš 36% Ni ir 64% Fe Gijonas pavadino invaru (tai reiškia – nekintamas). Temperatūrose nuo -60°C iki +100°C invaro a artimas nuliui. Deimantiniu plienu vadina tokį legiruotą įrankinį plieną, kuriame 1,25 ... 1,45% C, 0,4 ... 0,7% Cr ir 4 ... 5% W, kuris pasižymi labai dideliu kietumu. Jį naudoja nuimti ploną drožlę nuo stiklo ar atbalusio ketaus. Japonų specialistai pagamino ne kristalinės, bet amorfinės sandaros metalą. Tam sumaišė Fe arba Ni (90%) su P, C, Si, Al ir B. Mišinį įkaitino iki 1200°C. Lydinį aušino labai greitai. Tam jį suko 5000 aps/min greičiu. Amorfinis plienas daug kartų kietesnis už žinomus plienus ir pasižymi dideliu cheminiu atsparumu.

Pagrindinis techninis metalas yra plienas. Judančios plieninės dalys – tai neišvengiami triukšmai, vibracijos. Japonų koncernas „Nipon Kokan“ sukūrė vadinamą „tylųjį plieną“. Jis labai gesina virpesius, paversdamas juos šilumine energija. Plieno sudėtyje yra 12% chromo ir jis specialiai termiškai apdirbamas. Toks plienas labai perspektyvus. Detalės mažiau triukšmingos ir atsparesnės nuovargiui. Įvedus į plieną Pb ir Se, jis tampa „minkštas“, lengvai apdirbamas. Kitos jo savybės išlieka panašios kaip įprastinių plienų.

Didžiulis metalurgų pasiekimas buvo korozijai atsparaus plieno sukūrimas. 1923 metais buvo pagamintas tipiškiausias nerūdijantis plienas – chromonikelinis (18% Cr ir 9% Ni). Nerūdijantys plienai naudojami daug kur. JAV nerūdijantį plieną senai naudoja gaminant keleivinių vagonų atsakingas detales. Milane pagaminti autobusai, kurių kėbulo daug elementų pagaminti iš nerūdijančio plieno. Nerūdijantis plienas naudojamas ir buityje. Švedų specialistai pagamino sluoksniuotus indus. Keptuvė yra trijų sienelių – sluoksnis vario, aliuminio ir nerūdijančio plieno. Tokioje keptuvėje valgis greit sušyla, nepridega ir ji beveik nesidėvi. Puikios tokios keptuvės savybės yra dėl to, kad varis greit įšyla, aliuminis tolygiai įšyla, o nuo nerūdijančio plieno lengvai nusivalo bet kokios nuodegos.

Permatomą nerūdijantį plieną gamina JAV gamykla „Melori“. Plienas praleidžia šviesą, bet vandens nepraleidžia. Iš šio plieno pagaminti lakštai labiau primena sietą negu stiklą. Žiūrint į šviesą, matoma daug labai mažų skylučių. Jos gautos elektrocheminiu būdu. Šis plienas ypatingai gerai sugeria triukšmus, todėl labai tinka gaminti turboreaktyvinių variklių gaubtus.

Bulatinis plienas – tai ypatingas plienas, apie kurį prirašyta įvairių legendų. Apie šį plieną žino daugelis. Pirmosios žinios apie bulatinį plieną atkeliavo iki mūsų iš Aleksandro Makedoniečio žygio į Indiją (~2300 metų nuo mūsų dienų). Kaip tik Indija yra bulatinio plieno tėvynė. Iš jos į Rytų šalis veždavo šio plieno gabalus (~0,9 kg) svorio. Indijos meistrai jau daug amžių žinojo kaip apdirbti plieną ir nukalti kardus. Bulatinis plienas yra ypatingai stiprus ir nerūdyja, nors jame nėra legiruojančių elementų. Jo gamybos būdas buvo atrastas atsitiktinai, nežinant pačios esmės. Indijoje bulatinio plieno kardus gamino įvairių spalvų: žalios, mėlynos, baltos, šilkinio ornamentuoto audinio. Ornamentai  buvo būdingi bruožai bulatinio plieno kardų. Bulatinio plieno gamybos paslaptys buvo kruopščiai saugomos. Tik keletas centrų Rytų šalių valstybėse gamino bulatinį plieną. Ypač tuo garsėjo Sirijos miestas Damaskas. Čia iš Indijos atvežto plieno gamino ginklus. Damaske padaryti kardai patekdavo į Afrikos valstybes – Ganą, Malį ir kt. Vėliau pavadinimas „damaskinis plienas“ tapo kaip apibendrinantis bulatiniam plienui. Bulatiniai kardai visuomet buvo labai vertinami. Tokio kardo vertė buvo lygi geriausio dramblio kainai. Jeigu bulatinio plieno kardo ornamentas (piešinys) buvo žmogus, tai tokio kardo kaina buvo didesnė negu dramblio. Europiečiai su bulatiniu plienu susipažino dar Romos imperijos laikais (t.y. maždaug prieš 2000 metų). III amžiaus pradžioje bulatinių kardų kalimas paplito Vakarų Europoje. Tačiau po 700 metų gamybos paslaptis buvo užmiršta (pasimetė).

Kas tai yra bulatas – geležis ir anglis ir nieko daugiau. Svarbu, kad abu šie elementai būtų labai gryni, specifiškai kalama ir aušinama. Bulatinis plienas yra daugiaanglis (1,3 ... 1,5% C). Lėtai ataušinus susidaro  cementito perteklius, kuris ne ištirpsta kaip esti paprastame pliene, bet lieka pakibusioje būsenoje. Cementito sluoksniai apsitraukia lėtai auštančia minkšta geležimi. Taigi, esant metale daug anglies, kas suteikia metalui kietumą, bulatinis plienas tuo pačiu išsaugo didelį tąsumą ir tamprumą. Kadangi bulate yra trapaus cementito sluoksneliai, tai kalti bulatinį plieną reikia labai atsargiai. Kūjo smūgiai turi būti lengvi ir daug kartų įkaitinama tik iki raudonumo. Perkaitinus bulatas neteks savo svarbiausių savybių ir charakteringo rašto. Bulatinio plieno gamyba labai imli, ilga ir reikalauja didelio meistriškumo.

Manganas yra dezoksidatorius. Jis susijungia su skystame pliene esančiu deguonimi. Tai pirmasis pastebėjo anglų metalurgas R.Miušetas. 1856 metų patente Miušetas rekomenduoja lieto plieno savybių pagerinimui įvesti į skystą metalą veidrodinį ketų, kuriame yra 15 – 20% mangano. Taip pagaminto plieno (Besemerinio ir dezoksiduoto manganu) išvalcuotas bėgis nuo 1857 metų stotyje Derbi išbuvo iki 1873 metų. Juo pravažiavo daugiau kaip 2,5 milijonų vagonų.

1878 metais anglų metalurgas Robertas Ebotas Hadfildas pradėjo tirti geležies lydinius su kitais elementais. Po keturių metų jis išrado manganinį plieną, įgavusį jo vardą. Hadfildo plienas pasižymi atsparumu dilimui ir dažnai naudojamas geležinkelių statyboje. Tokio plieno sudėtyje yra 12 – 14% mangano ir 1 – 1,5% anglies.

Hadfildo plienas buvo pirmas legiruotas plienas, kuris masiškai buvo pradėtas gaminti nuo 1882 metų.

Tas pats Miušetas pirmas pagamino greitapjovį plieną 1868 metais.